Gravity Recovery and Climate Experiment

GRACE est développé conjointement par le centre de recherche spatial de l'université du Texas à Austin, du Jet Propulsion Laboratory à Pasadena en Californie, l'agence spatiale allemande, le centre de recherche allemand pour les sciences de la Terre à Potsdam[1]. Le JPL est responsable de la mission dans son ensemble dans le cadre du programme Earth System Science Pathfinder (ESSP) de la NASA. Cette mission spatiale fait partie du programme Earth Observing System qui regroupe un ensemble de satellites de la NASA chargés de collecter des données sur de longues périodes sur la surface de la Terre, la biosphère, l'atmosphère terrestre et les océans de la Terre.

Différences de pression au fond des océans mesurées par GRACE.

Les cartes générées mensuellement par GRACE sont 1 000 fois plus précises que les cartes qui existent auparavant ce qui permet d'améliorer la précision de nombreuses techniques utilisées par les océanographes, les hydrologues, les glaciologues, les géologues, les climatologues, et autres scientifiques observant les phénomènes naturels[2]. La mesure du champ gravitationnel de la Terre par GRACE permet ainsi aux scientifiques de mieux comprendre des processus naturels importants comme, exemples parmi d'autres, la diminution de l'épaisseur des inlandsis polaires, la circulation de l'eau dans les océans (circulation thermohaline) ou les grands bassins hydrographiques (répartition entre aquifères et système fluviale, temps de transfert et écoulements), et les écoulements, lents du manteau terrestre (solide), plus rapides dans le noyau externe (liquide), dans l'intérieur de la Terre.

En océanologie, une des applications les plus importantes est la compréhension de la circulation océanique globale. Les « vallées » et les « collines » de la surface de l'océan, écarts de topographie entre la « surface réelle » de l'océan et le géoïde, sont produits d'une part par les courants marins, d'une autre part par les variations temporelles et géographiques de la pression atmosphérique et des champs de vents associés, et enfin par les variations locales du champ gravitationnel. GRACE permet de séparer ces diverses origines et de mieux mesurer les courants océaniques et leurs effets sur le climat. Les données de GRACE sont également importantes pour déterminer l'origine de l'élévation du niveau de la mer et dans quelle mesure celle-ci est due à la masse d'eau provenant de la fonte des glaciers ou à la dilatation thermique des eaux chaudes ou aux changements de salinité[3].

GRACE est la première mission dans l'histoire du vol spatial à ne pas utiliser les ondes électromagnétiques transmises depuis la surface de la Terre et/ou de l'atmosphère pour effectuer ses mesures. GRACE utilise à la place un système de mesure de distance reposant sur des émissions micro-ondes qui mesure les variations de vitesse et de distance entre deux satellites identiques volant sur la même orbite polaire à une distance de 220 km l'un de l'autre et à 500 km au-dessus du sol terrestre. Le système de mesure est si sensible qu'il peut détecter des changements de distance de 10 microns soit un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain sur une distance totale de 220 km[4]. Lorsque les deux satellites GRACE effectuent leurs 16 révolutions quotidiennes autour de la Terre, leur trajectoire est perturbée par les variations du champ gravitationnel terrestre. Lorsque le premier satellite passe au-dessus d'une région où la gravité est un petit peu plus importante, le satellite est attiré par l'anomalie du champ gravitationnel et la distance avec le satellite qui le suit est modifiée. Après avoir franchi l'anomalie, le premier satellite reprend sa vitesse normale tandis que les paramètres de la trajectoire du deuxième satellite sont à leur tour affectés. En mesurant de manière continue les modifications de distance entre les deux satellites et en combinant ces informations avec la position des satellites fournie par des récepteurs GPS, les scientifiques peuvent reconstituer une carte détaillée du champ gravitationnel terrestre.

Les deux satellites maintiennent en permanence une liaison montante et descendante entre eux. La mesure de distance est effectuée en comparant le décalage de fréquence au niveau de cette liaison. Pour compléter ces données, les vaisseaux mesurent leur propres mouvements en utilisant des accéléromètres. Toutes ces informations sont envoyées aux stations au sol. Pour fournir des points de référence et maintenir l'orientation des vaisseaux, ceux-ci utilisent des capteurs d'étoile des magnétomètres et des récepteurs GPS. Les satellites GRACE ont également des réflecteurs laser qui permettent de mesurer la distance depuis la station au sol par laser.

Schéma du satellite GRACE.

Les satellites GRACE sont placés en orbite le 17 mars 2002 par un lanceur Rokot tirée depuis le cosmodrome de Plessetsk en Russie fournie par la société Eurockot. Les deux satellites surnommés Tom et Jerry sont placés sur la même orbite polaire située à une altitude de 500 kilomètres et avec une inclinaison orbitale de 89°. L'étage supérieur du lanceur Briz-KM, libère un des deux satellites avec une vitesse légèrement supérieure (0,5 m/s) pour que ceux-ci soient séparés par une distance comprise entre 170 et 270 kilomètres. Par la suite les satellites utilisent leur propulsion à gaz froid pour maintenir leur distance respective dans cette fourchette de valeur. Il est prévu à l'époque que l'altitude de l'orbite s'abaisse graduellement à 300 km à l'issue de la mission primaire [5].

La phase de recette s'achève le 14 mai 2003. En octobre 2005, la NASA donne son accord pour l'extension de la mission jusqu'en 2009. En décembre 2005, la position respective des deux satellites est inversée pour préserver l'antenne cornet (bande Ka) du satellite de tête qui subit une érosion liée à l'impact des atomes d'oxygène présents dans l'atmosphère résiduelle. La NASA et la DLR décident en juin 2010 de prolonger la mission jusqu'à l'épuisement de ses ergols, événement qui doit intervenir entre 2013 et 2015 en fonction de l'activité solaire, du degré de sollicitation des moteurs-fusées et de l'état des accumulateurs. La dégradation de l'orbite est bien inférieure à celle prévue puisqu'en 2011 les satellites circulent encore à une altitude de 455 km. En septembre 2014, l'altitude est de 410 kilomètres et décroit d'environ 49 mètres par jour. Chaque satellite dispose encore de 9 à 10 kilogrammes de gaz froid ce qui garantit leur fonctionnement au minimum jusqu'en 2017. La position respective des deux satellites est de nouveau inversée en juillet 2014. Courant 2016, les satellites GRACE commencent à voir leur capacité opérationnelle fortement réduite. La collecte des données est affectée par la perte de plusieurs éléments des accumulateurs et d'un des deux accéléromètres. La NASA souhaite un recouvrement entre GRACE et son successeur GRACE-FO dont le lancement est prévu fin 2017. En octobre 2017, la dégradation de l'état des accumulateurs d'un des deux satellites entraîne la fin de la mission[5]. Les ergols restants sont utilisés pour accélérer la rentrée atmosphérique et la destruction des deux satellites qui intervient le 24 décembre 2017 pour GRACE-2 et le 10 mars 2018 pour GRACE-1[6]^,[7].

Les deux agences spatiales lancent fin 2012 le développement d'une deuxième série de satellites aux caractéristiques très proches des originaux pour poursuivre les mesures du champ gravitationnel de la Terre. Les caractéristiques des satellites sont quasiment identiques à celles de la mission précédente hormis un nouvel instrument constitué par un interféromètre laser expérimental utilisé pour mesurer la distance entre les deux satellites[8]. Le lancement prévu initialement en août 2017 est repoussé à plusieurs reprises à la suite de problèmes rencontrés sur le lanceur. Le lanceur Dnepr prévu initialement devient indisponible en 2016 puis le lanceur Falcon 9 sélectionné en remplacement est victime d'une explosion au sol en septembre 2016 qui repousse la date de lancement de plusieurs mois supplémentaires[9]. Les deux satellites GRACE-FO doivent décoller depuis la base de lancement de Vandenberg (Californie). La charge utile du lanceur Falcon 9 comprend également 5 satellites de télécommunications Iridium NEXT[10]. GRACE-FO décolle de Vandenberg le 22 mai 2018 à 19 h 48 et est placé sur une orbite polaire à une altitude de 490 kilomètres avec une inclinaison orbitale de 89°[11].